DE102006027357A1 - Method for operating an SCR catalytic converter and exhaust system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Programmalgorithmus zum Betreiben einer in einer Abgasanlage (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten SCR-Katalysatoreinrichtung (16), welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinander geschaltete SCR-Katalysatorstufen (16a, 16b) umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NO<SUB>x</SUB> des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) zugeführt wird. Es ist vorgesehen, dass als Bemessungsgröße für eine Menge des zugeführten Reduktionsmittels oder seiner Vorstufe eine Speicherkapazität der in Strömungsrichtung ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) herangezogen wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein Schlupf an Reduktionsmittel, insbesondere NH<SUB>3</SUB>, durch die SCR-Katalysatoreinrichtung (16) vermieden wird.The invention relates to a method and a program algorithm for operating an SCR catalytic converter device (16) arranged in an exhaust system (12) of an internal combustion engine (10), which comprises at least two SCR catalytic converter stages (16a, 16b) spaced apart or adjacently connected in series are suitable for at least partially storing a chemical reducing agent and reducing, with its participation, nitrogen oxides NO <SUB> x </ SUB> of the exhaust gas, the chemical reducing agent or a precursor thereof into an exhaust gas of the internal combustion engine (10) upstream of the SCR Catalyst device (16) is supplied. It is provided that a storage capacity of the first SCR catalytic converter stage (16a) in the flow direction is used as a design variable for an amount of the supplied reducing agent or its precursor. In this way it is achieved that a slip of reducing agent, in particular NH <SUB> 3 </ SUB>, by the SCR catalyst device (16) is avoided.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, angeordneten Katalysators, der nach dem SCR-Verfahren (SCR = Selectiv Catalytic Reduction) arbeitet. Bei diesem Verfahren werden im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide (NOx) unter Beteiligung eines chemischen Reduktionsmittels, das von dem Reduktionskatalysator gespeichert wird, reduziert. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Abgasanlage.The invention relates to a method for operating a catalyst arranged in an exhaust system of an internal combustion engine, in particular a diesel engine, which operates according to the SCR method (SCR = selective catalytic reduction). In this method, nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gas of the internal combustion engine are reduced by involving a chemical reducing agent stored by the reduction catalyst. The invention further relates to an exhaust system suitable for carrying out the method.

Neben Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) gehören insbesondere Stickoxide (NOx) zu den umweltgefährdenden, direkt emittierten Primärschadstoffen, die beim Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, entstehen. Ein Einsatz von Drei-Wege-Katalysatoren, wie sie bei λ=1-geregelten Ottomotoren verwendet werden, ist auf Grund des Sauerstoffüberschusses im sehr magren dieselmotorischen Abgas nicht möglich. Aus diesem Grund wurde zur Reduktion der Stickoxidemission bei Dieselmotoren ein selektiv arbeitender SCR-Katalysator entwickelt, der mit einem zugeführten Reduktionsmittel Stickoxide (NOx) zu N2 und H2O reduziert. Das Reduktionsmittel wird dabei direkt dem Abgas zugegeben oder es wird eine chemische Vorstufe des Reduktionsmittels zugegeben, die erst in der Abgasanlage das Reduktionsmittel freisetzt. Als Reduktionsmittel dient insbesondere Ammoniak (NH3), das dem Abgas als Gas oder als wässrige Lösung zugeführt wird. Auf Grund des nicht ungefährlichen Umgangs mit NH3 wird heute üblicherweise Harnstoff als chemische Vorstufe eingesetzt, der entweder in Form einer wässrigen Lösung oder als Feststoff vorliegt. Die thermohydrolytische Aufspaltung von Harnstoff unter Freisetzung von NH3 erfolgt durch die Wärme des Abgasstroms bzw. des Katalysators oder in einem Verdampfer beziehungsweise einem Reaktor.In addition to carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) in particular nitrogen oxides (NO x ) are among the environmentally hazardous, directly emitted primary pollutants, which arise during operation of internal combustion engines, especially diesel engines. A use of three-way catalysts, as used in λ = 1-controlled gasoline engines, is not possible due to the excess of oxygen in the very lean diesel engine exhaust. For this reason, a selective SCR catalyst was developed to reduce nitrogen oxide emissions in diesel engines, which reduces nitrogen oxides (NO x ) to N 2 and H 2 O with an added reducing agent. The reducing agent is added directly to the exhaust gas or it is added a chemical precursor of the reducing agent, which releases the reducing agent only in the exhaust system. Ammonia (NH 3 ), which is supplied to the exhaust gas as a gas or as an aqueous solution, serves in particular as a reducing agent. Due to the non-hazardous handling of NH 3 , urea is usually used today as a chemical precursor, which is present either in the form of an aqueous solution or as a solid. The thermohydrolytic decomposition of urea with liberation of NH 3 is effected by the heat of the exhaust gas stream or of the catalyst or in an evaporator or a reactor.

SCR-Katalysatoren verfügen über eine temperaturabhängige Speicherkapazität für das Reduktionsmittel (NH3), wobei die Temperaturabhängigkeit bei niedrigen Katalysatortemperaturen besonders ausgeprägt ist. Auf der anderen Seite steigt die NOx-Konvertierungsrate von SCR-Katalysatoren mit dem NH3-Beladungsniveau. Deswegen wird insbesondere bei niedrigen Temperaturen angestrebt, das NH3-Beladungsniveau möglichst nahe dem (temperaturabhängigen) maximal möglichen Beladungsniveau zu halten. Dabei ist die Einhaltung eines Sicherheitsabstandes zum maximalen Beladungsniveau üblich, um die Gefahr eines Reduktionsmittelschlupfes gering zu halten.SCR catalysts have a temperature-dependent storage capacity for the reducing agent (NH 3 ), whereby the temperature dependence at low catalyst temperatures is particularly pronounced. On the other hand, the NO x conversion rate of SCR catalysts increases with the NH 3 loading level. Therefore, it is desirable, especially at low temperatures, to keep the NH 3 loading level as close as possible to the (temperature-dependent) maximum possible loading level. In this case, the maintenance of a safety distance to the maximum load level is common to keep the risk of reducing agent slip low.

Entsprechende SCR-Verfahren und -Anlagen sind aus den Druckschriften DE 199 22 959 A1 , DE 100 38 741 A1 , und DE 102 51 498 A1 bekannt, die sich mit Problemen der Zuführung und Freisetzung des Reduktionsmittels im Abgas befassen. Die DE 199 22 959 A1 offenbart darüber hinaus einen SCR-Katalysator mit zwei aneinandergrenzend hintereinandergeschalteten SCR-Katalysatorstufen mit unterschiedlichen NH3-Speichervermögen zur Erzielung einer möglichst vollständigen NOx-Reduktion.Corresponding SCR methods and systems are from the documents DE 199 22 959 A1 . DE 100 38 741 A1 , and DE 102 51 498 A1 known, which deal with problems of supply and release of the reducing agent in the exhaust gas. The DE 199 22 959 A1 moreover discloses an SCR catalyst having two adjacently cascaded SCR catalyst stages with different NH 3 storage capacities for achieving the most complete possible NO x reduction.

Problematisch bei der Verwendung von SCR-Katalysatoren sind Betriebssituationen, die – insbesondere von einer niedrigen Abgastemperatur ausgehend – mit starken Temperaturanstiegen einhergehen, wie es insbesondere bei starken Lastsprüngen der Fall ist. Diese können zu einer unkontrollierten Freisetzung von im SCR-Katalysator gespeicherten NH3 führen, welches unkonvertiert den Abgasstrang verlässt. Ebenfalls können derartige Betriebssituationen auftreten, wenn eine Regenerationsanforderung eines den SCR-Katalysator vor- oder nachgeschalteten Partikelfilters vorliegt oder wenn eine Heizmaßnahme zur Aufheizung eines noch nicht betriebsbereiten Katalysators bei einem Motorkaltstart erfolgt. In beiden Fällen werden motorische Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur eingeleitet, die zu dem beschriebenen NH3-Schlupf führen können. Ebenfalls können stark exotherme Prozesse bei der Partikelfilterregeneration oder bei katalytischen Konvertierungsvorgängen zur unerwünschten NH3-Desorption führen. Diese Betriebssituationen sind umso kritischer, als für die Gewährleistung einer guten NOx-Konvertierungsrate das Beladungsniveau SCR-Katalysators mit dem Reduktionsmittel möglichst auf dem maximalen (temperaturabhängigen) Niveau eingestellt wird (s. o.).The problem with the use of SCR catalysts are operating situations, which - in particular starting from a low exhaust gas temperature - associated with strong temperature increases, as is the case in particular with strong load jumps. These can lead to an uncontrolled release of NH 3 stored in the SCR catalytic converter, which leaves the exhaust line unconverted. Also, such operating situations may occur when a regeneration request of the SCR catalyst upstream or downstream particulate filter is present or if a heating measure for heating a not yet operational catalyst at a cold engine start. In both cases, engine measures are initiated to increase the exhaust gas temperature, which can lead to the NH 3 slip described. Likewise, highly exothermic processes in particulate filter regeneration or in catalytic conversion processes can lead to unwanted NH 3 desorption. These operating conditions are more critical than for ensuring good NO x -Konvertierungsrate loading level SCR catalyst is set with the reducing agent as possible at the maximum (temperature-dependent) level (see above).

Zur Vermeidung von unerwünschten NH3-Durchbrüchen ist bekannt, die benötigte Reduktionsmittelmenge über Dosiermodelle möglichst genau entsprechend der umzusetzenden NOx-Menge zu berechnen und passend zuzuführen. Dabei wird als Sicherheit häufig eine leicht unterstöchiometrische Zudosierung vorgenommen, wodurch jedoch eine vollständige NOx-Umsetzung nicht mehr gewährleistet ist. Eine andere Lösung sieht den Einsatz von edelmetallhaltigen Oxidationskatalysatoren als Sperrkatalysator vor, welche dem SCR-Katalysator nachgeschaltet werden und auftretende NH3-Durchbrüche konvertieren. Dies ist jedoch mit einem erhöhten Kosten- und Bauraumbedarf verbunden. Darüber hinaus entsteht in kontraproduktiver Weise bei der NH3-Konvertierung am nachgeschalteten Oxidationskatalysator wiederum NOx, was einerseits unerwünscht ist und andererseits die Bilanzierung des NOx-Umsatzes am SCR-Katalysator verfälscht, wenn diese mit einem nachgeschalteten NOx-Sensor ermittelt wird.To avoid unwanted NH 3 breakthroughs is known to calculate the required amount of reducing agent via dosing models as closely as possible according to the amount of NO x to be converted and fed appropriately. This is often done as a security slightly substoichiometric metering, which, however, a complete NO x implementation is no longer guaranteed. Another solution provides for the use of noble metal-containing oxidation catalysts as a barrier catalyst, which are downstream of the SCR catalyst and convert occurring NH 3 breakthroughs. However, this is associated with increased cost and space requirements. In addition, arises in a counterproductive manner in the NH 3 conversion at the downstream oxidation catalyst again NO x , which is undesirable on the one hand and on the other hand falsified the accounting of NO x conversion at the SCR catalyst, if this is determined with a downstream NO x sensor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators zur Verfügung zu stellen, bei dem ein unerwünschter Schlupf des gespeicherten Reduktionsmittels vermieden wird und das nicht mit den Nachteilen der bekannten Lösungen behaftet ist. Es soll ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Abgasanlage bereitgestellt werden.The invention is based on the object to provide an alternative method for operating an SCR catalyst, in which an unwanted slippage of the stored reducing agent is avoided and which is not associated with the disadvantages of the known solutions. It is also intended to provide an exhaust system suitable for carrying out the method.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren sowie eine Abgasanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß wird eine SCR-Katalysatoreinrichtung eingesetzt, welche zumindest zwei (beabstandet oder aneinandergrenzend) hintereinandergeschaltete SCR-Katalysatorstufen umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak NH3, zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NOx des Abgases zu reduzieren. Die Erfindung sieht dabei vor, als Bemessungsgröße für eine Menge des stromauf der ersten SCR-Katalysatorstufe zugeführten Reduktionsmittels beziehungsweise seiner Vorstufe allein eine absolute Speicherkapazität der in Strömungsrichtung ersten SCR-Katalysatorstufe heranzuziehen. Steuerungstechnisch dient somit die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe als Führungsgröße für die Reduktionsmitteldosierung in die Abgasanlage. Durch die Vernachlässigung der Speicherkapazität der zweiten (stromabwärtigen) SCR-Katalysatorstufe wird erreicht, dass die zweite SCR-Katalysatorstufe in vollem Umfang zur Verfügung steht, eventuell auftretende NH3-Durchbrüche der ersten (stromaufwärtigen) SCR-Katalysatorstufe abzufangen. Dabei ist die absolute Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe vorzugsweise so bemessen, dass sie den austretenden NH3-Schlupf der ersten Stufe idealerweise vollständig zu speichern vermag und im Wege der katalytischen NOx-Reduktion verbraucht. Auf diese Weise können unerwünschte Emissionen des Reduktionsmittels praktisch vollständig unterdrückt werden. Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung der im Stand der Technik bekannte, dem SCR-Katalysator nachgeschaltete Oxidationskatalysator als Sperrkatalysator durch die zweite SCR-Stufe ersetzt, was einerseits einen Kostenvorteil hat und andererseits die am Oxidationskatalysator stattfindende unerwünschte Konvertierung von NH3 zu NOx vermeidet.This object is achieved by a method and an exhaust system with the features of the independent claims. According to the invention, an SCR catalytic converter device is used, which comprises at least two SCR catalytic converter stages (spaced apart or adjoining one another), which are each suitable for at least partially storing a chemical reducing agent, in particular ammonia NH 3 , and, with its participation, nitrogen oxides NO x of the exhaust gas to reduce. In this case, the invention provides for an absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage in the flow direction to be used as a design variable for an amount of the reducing agent or its precursor supplied upstream of the first SCR catalyst stage alone. Control technology thus serves the absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage as a reference variable for the reducing agent metering in the exhaust system. By neglecting the storage capacity of the second (downstream) SCR catalyst stage it is achieved that the second SCR catalyst stage is fully available to intercept any NH 3 breakthroughs occurring in the first (upstream) SCR catalyst stage. In this case, the absolute storage capacity of the second SCR catalyst stage is preferably dimensioned such that it is ideally able to completely store the exiting NH 3 slip of the first stage and to use it by way of the catalytic NO x reduction. In this way, unwanted emissions of the reducing agent can be almost completely suppressed. Thus, according to the present invention, the known in the art, the SCR catalyst downstream oxidation catalyst is replaced as a barrier catalyst by the second SCR stage, which on the one hand has a cost advantage and on the other hand, takes place on the oxidation catalyst unwanted conversion of NH 3 to NO x .

Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter "absoluter Speicherkapazität" eine maximal in dem SCR-Katalysator bzw. der SCR-Katalysatorstufe speicherbare Reduktionsmittelmenge (z.B. in g oder mol) verstanden, wohingegen "relative Speicherkapazität" eine auf das Katalysatorvolumen bezogene speicherbare Reduktionsmittelmenge (z.B. in g/ml oder mol/ml) bedeutet.there is in the context of the present invention under "absolute storage capacity" a maximum in the amount of reductant that can be stored in the SCR catalyst or SCR catalyst stage (e.g. in g or mol), whereas "relative storage capacity" refers to the catalyst volume a storable reducing agent level (e.g., in g / ml or mol / ml).

Grundsätzlich kann die Zuführung des Reduktionsmittels in Intervallen oder kontinuierlich erfolgen.Basically the feeder of the reducing agent at intervals or continuously.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird eine Menge des zugeführten Reduktionsmittels so bemessen und zugeführt, dass ein Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe zwischen einer vorbestimmten unteren und einer vorbestimmten oberen Beladungsgrenze liegt. Dabei entspricht die vorbestimmte obere Beladungsgrenze vorzugsweise der absoluten Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe abzüglich eines Sicherheitsabstandes. Beispielsweise kann der Sicherheitsabstand so gewählt werden, dass er 20 % bezogen auf die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe beträgt, insbesondere 10 % oder sogar 5 %. Eine allgemeingültige Angabe der oberen Beladungsgrenze bzw. des Sicherheitsabstandes ist jedoch nicht möglich, da diese sehr von der Auslegung des Gesamtsystems und insbesondere von tolerierbaren Emissionswerten abhängt. Grundsätzlich ist jedoch dank der nachgeschalteten zweiten Stufe möglich, den Sicherheitsabstand geringer als im Stand der Technik üblich zu wählen. Ist zwischen den beiden SCR-Katalysatorstufen ein NH3-empfindlicher Gassensor angeordnet (s. u.), so kann der Sicherheitsabstand besonders klein gewählt werden, ohne unerwünschte Reduktionsmittelemissionen zu riskieren. Die möglichst hohe Beladung der ersten Stufe hat den Vorteil, einerseits die volle Kapazität der ersten Stufe nutzen zu können und andererseits die vollständige Pufferkapazität der zweiten Stufe aufrechtzuerhalten. Dabei kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung angestrebt werden, dass die erste SCR-Katalysatorstufe stets bis zu der angegebenen oberen Beladungsgrenze mit Reduktionsmittel beladen ist. Da die Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe unter anderem von der Katalysatortemperaturabhängt, werden vorzugsweise das angestrebte Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe und/oder die obere und/oder die untere Beladungsgrenze der ersten SCR-Katalysatorstufe mit dem Reduktionsmittel in Abhängigkeit von einer Katalysator- oder Abgastemperatur vorbestimmt. Dabei kann die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe vorzugsweise aus temperaturabhängigen Kennfeldern entnommen werden, wobei auch alterungsbedingte Minderungen der Speicherkapazität berücksichtigt werden können.In a preferred embodiment of the invention, an amount of the supplied reducing agent is so dimensioned and supplied that a loading level of the first SCR catalyst stage is between a predetermined lower and a predetermined upper loading limit. In this case, the predetermined upper loading limit preferably corresponds to the absolute storage capacity of the first SCR catalytic converter stage minus a safety margin. For example, the safety margin may be chosen to be 20% of the absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage, in particular 10% or even 5%. However, a general indication of the upper loading limit or the safety distance is not possible, since this depends very much on the design of the entire system and in particular on tolerable emission values. In principle, however, thanks to the downstream second stage, it is possible to choose the safety distance less common than in the prior art. If an NH 3 -sensitive gas sensor is arranged between the two SCR catalyst stages (see below), the safety margin can be selected to be particularly small without risking undesirable reductant emissions. The highest possible loading of the first stage has the advantage, on the one hand to be able to use the full capacity of the first stage and on the other hand to maintain the full buffer capacity of the second stage. In this case, according to an advantageous embodiment of the invention, the aim is that the first SCR catalyst stage is always loaded with reducing agent up to the specified upper loading limit. Since the storage capacity of the first SCR catalyst stage depends inter alia on the catalyst temperature, preferably the desired loading level of the first SCR catalyst stage and / or the upper and / or lower loading limit of the first SCR catalyst stage with the reducing agent depending on a catalyst or Exhaust gas temperature predetermined. In this case, the absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage can preferably be taken from temperature-dependent maps, whereby aging-related reductions in the storage capacity can be taken into account.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, die Reduktionsmittelmenge in Abhängigkeit von einer angesaugten Luftmasse, einer durch die Motorsteuerung vorgegebenen Kraftstoffmasse und/oder einer modellierten oder (mit einem NOx-Sensor) gemessenen NOx-Konzentration im Abgas zu dosieren und in diesem Sinne mehr oder weniger kontinuierlich zuzuführen. Jede dieser Größen ist mit einem gewissen Mess- oder Bestimmungsfehler verbunden. Dies gilt ebenso für die Zudosierung selbst und den Wirkungsgrad für die Reduktionsmittelaufbereitung (Thermohydrolyse). Neben diesen Fehlern bzw. Unsicherheiten sollten vorzugsweise auch noch Alterungseffekte der SCR-Katalysatorstufe bei der Reduktionsmitteldosierung berücksichtigt werden.A further advantageous embodiment provides to meter the amount of reducing agent depending on an intake air mass, a predetermined by the engine control fuel mass and / or a modeled or measured (with a NO x sensor) NOx concentration in exhaust gas and in this sense, more or less continuously. Each of these quantities is associated with a certain measurement or determination error. This also applies to the metering itself and the efficiency for reducing agent treatment (Thermohydrolysis). In addition to these errors or uncertainties, aging effects of the SCR catalyst stage should also preferably be taken into account in the reducing agent metering.

Die zweite (stromabwärtige) SCR-Katalysatorstufe hat insbesondere aus Bauraumgründen bevorzugt ein kleineres Volumen als die vorgeschaltete erste SCR-Katalysatorstufe. Dabei hat sie vorteilhaft eine relative (d.h. auf das Katalysatorvolumen bezogene) Speicherkapazität für das Reduktionsmittel (insbesondere NH3), die größer ist als die der ersten SCR-Katalysatorstufe. Dies kann etwa durch eine höhere Beladungsdichte des Katalysatorträgers mit Speicherplätzen erreicht werden, d.h. mit der für die Speicherung des Reduktionsmittels verantwortlichen Beschichtung (washcoat). In dieser Weise vermag die zweite Stufe trotz ihres geringeren Volumens eine relativ große Menge Reduktionsmittel (z.B. NH3) zu speichern und umzusetzen und zwar auch unter Bedingungen, unter denen an der ersten Stufe bereits eine Desorption von Reduktionsmitteln stattfindet. Die (absolute) Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe kann dabei aber geringer sein als die der vorgeschalteten ersten Stufe, da die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Reduktionsmitteldesorption der ersten Stufe gering ist. Beispielsweise kann die absolute Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe maximal 80 % der Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe betragen, insbesondere maximal 60 %, vorzugsweise maximal 50 %. Auch hier lässt sich die Größe oder die absolute Speicherkapazität der zweiten SCR-Stufe nicht allgemeingültig angeben, da auch diese Größe sehr von der Auslegung des Gesamtsystems, tolerierbarer Endemissionen, der angewendeten Dosierstrategie und anderen Faktoren abhängt.The second (downstream) SCR catalyst stage preferably has a smaller volume than the upstream first SCR catalyst stage, in particular for reasons of space. In this case, it advantageously has a relative (ie related to the catalyst volume) storage capacity for the reducing agent (in particular NH 3 ), which is greater than that of the first SCR catalyst stage. This can be achieved, for example, by a higher loading density of the catalyst support with storage locations, ie with the coating responsible for the storage of the reducing agent (washcoat). In this way, the second stage, despite its smaller volume, is capable of storing and reacting a relatively large amount of reducing agent (eg NH 3 ), even under conditions in which desorption of reducing agents already takes place at the first stage. However, the (absolute) storage capacity of the second SCR catalyst stage may be less than that of the upstream first stage, since the probability of a complete Reduktionsmitteldesorption the first stage is low. For example, the absolute storage capacity of the second SCR catalyst stage may amount to a maximum of 80% of the storage capacity of the first SCR catalyst stage, in particular a maximum of 60%, preferably a maximum of 50%. Again, the size or absolute storage capacity of the second SCR stage can not be universally indicated, since this size also depends very much on the overall system design, tolerable end-uses, the dosing strategy used, and other factors.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das aktuelle Beladungsniveau (RM_a) der SCR-Katalysatoreinrichtung, insbesondere der ersten SCR-Katalysatorstufe, mit dem Reduktionsmittel kontinuierlich ermittelt. Dies erfolgt bevorzugt durch Bestimmung der kumulierten, in der SCR-Katalysatoreinrichtung gespeicherten Reduktionsmittelmenge (RM_ΣS) und Subtraktion der kumulierten, durch den NOx-Umsatz der SCR-Katalysatoreinrichtung verbrauchten Reduktionsmittelmenge (RM_ΣNOx) von der gespeicherten Menge nach der Gleichung RM_a = RM_ΣS – RM_ΣNOx. Zur Bestimmung der kumulierten gespeicherten Reduktionsmittelmenge der SCR-Katalysatoreinrichtung RM_ΣS wird die zugeführte Reduktionsmittelmenge über die Zeit integriert (d.h. RM_ΣS = RM_ΣD, worin RM_ΣD die integrierte zudosierte Reduktionsmittel bedeutet), wobei eine temperaturabhängige Speicherkapazität der SCR-Katalysatoreinrichtung berücksichtigt werden kann. Im Fall eines NH3-Durchbruchs der ersten Stufe, beispielsweise infolge eines plötzlichen Temperatursprungs, wird vorzugsweise die kumulierte gespeicherte Reduktionsmittelmenge RM_ΣS der ersten Stufe über den NOx-Umsatz der zweiten Stufe korrigiert. Der NH3-Durchbruch kann mittels eines zwischen den beiden SCR-Stufen angeordneten NH3-empfindlicher Sensors gemessen werden, der entweder ein NH3-Sensor sein kann oder NOx-Sensor. NOx-Sensoren weisen nämlich eine NH3-Querempfindlichkeit auf, sodass über geeignete Plausibilitätsprüfungen, die eine Differenzierung zwischen NOx und NH3 erlauben, die NH3-Konzentration im Abgas ermittelt werden kann. Beispielsweise kann eine Reaktion des Sensors auf eine Veränderung der zudosierten Reduktionsmittelmenge eine solche Differenzierung ermöglichen.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the current loading level (RM_a) of the SCR catalytic converter device, in particular the first SCR catalytic converter stage, is determined continuously with the reducing agent. This is preferably done by determining the cumulative stored in the SCR catalytic converter device reducing agent quantity (RM_ΣS) and subtracting the accumulated, consumed by the NOx conversion of the SCR catalytic converter device reducing agent quantity (RM_ΣNOx) from the stored set according to the equation RM_a = RM_ΣS - RM_ΣNOx , To determine the cumulative stored reducing agent quantity of the SCR catalytic converter RM_ΣS, the supplied reducing agent quantity is integrated over time (ie RM_ΣS = RM_ΣD, where RM_ΣD means the integrated metered reducing agent), wherein a temperature-dependent storage capacity of the SCR catalytic converter device can be taken into account. In the case of a first-stage NH 3 breakthrough due to, for example, a sudden temperature jump, it is preferable to correct the first stage cumulative stored reductant amount RM_ΣS via the second-stage NO x conversion. The NH 3 breakthrough can be measured by means of an NH 3 -sensitive sensor arranged between the two SCR stages, which can be either an NH 3 sensor or NO x sensor. Namely, NO x sensors have an NH 3 cross sensitivity, so that the NH 3 concentration in the exhaust gas can be determined by means of suitable plausibility checks which permit a differentiation between NO x and NH 3 . For example, a reaction of the sensor to a change in the metered amount of reducing agent allow such differentiation.

Die Bilanzierung des NOx-Umsatzes der SCR-Katalysatoreinrichtung zur Ermittlung der verbrauchten Reduktionsmittelmenge RM_ΣNOx, das heißt der Vergleich des stromauf und stromab der Einrichtung vorliegenden NOx-Gehaltes des Abgases, kann rechnerisch oder unter Anwendung insbesondere von temperaturabhängigen Kennfeldern modelliert werden oder mittels stromauf und/oder stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung oder zwischen den einzelnen Stufen angeordneten NOx-Sensoren gemessen werden. Möglich ist beispielsweise, die NOx-Rohemission stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung zu modellieren und den NOx-Gehalt stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung und/oder zwischen den beiden SCR-Stufen mittels eines NOx-Sensors zu messen oder umgekehrt. Vorzugsweise erfolgt die Bilanzierung des NOx-Umsatzes über die erste und die zweite SCR-Katalysatorstufe gemeinsam, das heißt beide Stufen werden als ein einziger SCR-Katalysator betrachtet.The balancing of the NO x conversion of the SCR catalytic converter device to determine the amount of reducing agent RM_ΣNOx consumed, that is, the comparison of the present upstream and downstream of the device NO x content of the exhaust gas can be modeled or by using particular temperature-dependent maps or by means of upstream and / or downstream of the SCR catalytic converter device, or between the individual stages arranged NO x sensors are measured. It is possible, for example, to model the NO x crude emission upstream of the SCR catalytic converter device and to measure the NO x content downstream of the SCR catalytic converter device and / or between the two SCR stages using an NO x sensor or vice versa. The balancing of the NO x conversion via the first and the second SCR catalyst stage is preferably carried out jointly, ie both stages are considered to be a single SCR catalytic converter.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinrichtung, welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinandergeschaltete SCR-Katafysatorstufen umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NOx des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung zugeführt wird. Die Anlage verfügt über einen Programmalgorithmus, der insbesondere in einer Motorsteuerung gespeichert vorliegen kann, zum Betreiben der SCR-Katalysatoreinrichtung der Abgasanlage gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren.Another aspect of the present invention relates to an exhaust system for an internal combustion engine with an SCR catalyst device comprising at least two spaced or adjacently connected SCR Katafysatorstufen each adapted to at least partially store a chemical reducing agent and its participation nitrogen oxides NO x of To reduce exhaust gas, wherein the chemical reducing agent or a precursor thereof is supplied into an exhaust gas of the internal combustion engine upstream of the SCR catalyst device. The system has a program algorithm, which may be stored in particular stored in an engine control, for operating the SCR catalyst device of the exhaust system according to the method described above.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the remaining dependent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be described below in embodiments with reference to the accompanying Zeichnun explained. Show it:

1 schematisch eine Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschalteter Abgasreinigungsanlage nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung und 1 schematically an arrangement of an internal combustion engine with downstream emission control system according to a first embodiment of the invention and

2 schematisch eine Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschalteter Abgasreinigungsanlage nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. 2 schematically an arrangement of an internal combustion engine with downstream emission control system according to a second embodiment of the invention.

1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10, die hier insbesondere ein Dieselmotor ist. Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 kommendes Abgas wird in eine insgesamt mit 12 bezeichnete Abgasanlage geleitet. Die Abgasanlage 12 umfasst einen Abgaskanal 14, der verschiedene Komponenten zur Abgasnachbehandlung enthält. Insbesondere beherbergt der Abgaskanal 14 eine SCR-Katalysatoreinrichtung 16, die gemäß dem dargestellten Beispiel zwei Stufen, nämlich eine in Abgasströmungsrichtung erste SCR-Katalysatorstufe 16a sowie eine dieser beabstandet nachgeschaltete zweite SCR-Katalysatorstufe 16b, umfasst. Bei beiden SCR-Katalysatorstufen 16a, 16b handelt es sich um selektive Reduktionskatalysatoren, die unter Beteiligung eines Reduktionsmittels, hier Ammoniak (NH3), Stickoxide (NOx) des Abgases zu N2 und H2O umsetzen. Das Katalysatorvolumen der nachgeschalteten zweiten SCR-Katalysatorstufe 16b ist gemäß der dargestellten Ausführungsform deutlich kleiner als das der ersten Stufe 16a. Auf der anderen Seite ist jedoch die relative (volumenbezogene) NH3-Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe (16b) größer als die der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a), sodass sich dennoch eine relativ große absolute NH3-Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe 16b ergibt, die beispielsweise etwa 50 % der NH3-Speicherkapazität der ersten Stufe 16a entspricht. 1 shows an internal combustion engine 10 , which is a diesel engine here in particular. One from the internal combustion engine 10 coming exhaust gas is in a total with 12 directed exhaust system passed. The exhaust system 12 includes an exhaust passage 14 containing various exhaust aftertreatment components. In particular, the exhaust duct houses 14 an SCR catalyst device 16 , which according to the illustrated example, two stages, namely a first in the exhaust gas flow direction SCR catalyst stage 16a and one of these spaced downstream second SCR catalyst stage 16b , includes. For both SCR catalyst stages 16a . 16b these are selective reduction catalysts which, with the participation of a reducing agent, in this case ammonia (NH 3 ), convert nitrogen oxides (NO x ) of the exhaust gas into N 2 and H 2 O. The catalyst volume of the downstream second SCR catalyst stage 16b is significantly smaller than that of the first stage according to the illustrated embodiment 16a , On the other hand, however, the relative (volume-related) NH 3 storage capacity of the second SCR catalyst stage ( 16b ) greater than that of the first SCR catalyst stage ( 16a ), so that nevertheless a relatively large absolute NH 3 storage capacity of the second SCR catalyst stage 16b which, for example, accounts for about 50% of the first stage NH 3 storage capacity 16a equivalent.

Das Reduktionsmittel NH3 wird vorzugsweise in Form einer wässrigen Harnstofflösung als chemische Vorstufe für Ammoniak über eine Zudosiereinheit 18, die mit einem hier nicht dargestellten Vorratsbehälter für die wässrige Harnstofflösung verbunden ist, in den Abgaskanal 14 eingedüst. Die Harnstofflösung gelangt in einen beheizbaren Verdampfer 20, wo das NH3 im Wege von Thermolyse und Hydrolyse der gebildeten Isocyansäure freigesetzt wird. Der optionale Verdampfer 20 ist von Vorteil, da die Kinetik der Harnstoffzersetzungsreaktion bei niedrigen Abgastemperaturen sehr langsam ist und mit Bildung von unerwünschten Polymerisationsprodukten gerechnet werden muss. Das so erzeugte NH3 wird in dem SCR-Katalysator 16 gespeichert, insbesondere in der ersten Stufe 16a.The reducing agent NH 3 is preferably in the form of an aqueous urea solution as a chemical precursor for ammonia via a metering unit 18 , which is connected to a reservoir for the aqueous urea solution, not shown here, in the exhaust passage 14 injected. The urea solution enters a heatable evaporator 20 where the NH 3 is liberated by thermolysis and hydrolysis of the formed isocyanic acid. The optional evaporator 20 is advantageous because the kinetics of the urea decomposition reaction at low exhaust gas temperatures is very slow and must be expected to form undesirable polymerization. The NH 3 thus produced becomes in the SCR catalyst 16 stored, especially in the first stage 16a ,

Statt einer Harnstofflösung kann auch Festharnstoff (beispielsweise in Form von Pellets oder Prills) eingesetzt werden, der mechanisch oder thermisch aufbereitet wird. Bei thermischer Aufbereitung ist ein Reaktor erforderlich, der außerhalb oder innerhalb der Abgasanlage 12 angeordnet sein kann. Grundsätzlich kann auch gasförmiges NH3 oder eine wässrige Ammoniaklösung in die Abgasanlage 12 eingedüst werden. Aufgrund der problematischen Handhabung von NH3 sowie seiner toxischen Eigenschaften ist jedoch die Verwendung einer NH3-abspaltenden Vorstufe bevorzugt.Instead of a urea solution, it is also possible to use solid urea (for example in the form of pellets or prills), which is processed mechanically or thermally. Thermal treatment requires a reactor outside or inside the exhaust system 12 can be arranged. In principle, gaseous NH 3 or an aqueous ammonia solution in the exhaust system 12 be injected. Due to the problematic handling of NH 3 and its toxic properties, however, the use of a NH 3 -splitting precursor is preferred.

Stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 ist ein Oxidationskatalysator 22 im Abgaskanal 14 angeordnet, der eine Konvertierung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) vornimmt. Die Anordnung des Oxidationskatalysators 22 vor dem SCR-Katalysator 16 ist besonders vorteilhaft, da hierdurch insbesondere im niedrigen Temperaturbereich die Aktivität der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 deutlich verbessert wird. Optimal ist in diesem Zusammenhang, wenn durch die Oxidation von NO ein NO2-Anteil von etwa 50 % bezogen auf die gesamten Stickoxide NOx hinter dem Oxidationskatalysator 22 erzeugt wird. Zudem wird durch den vorgeschalteten Oxidationskatalysator 22 eine Deaktivierung des SCR-Katalysators 16 infolge erhöhter HC-Emissionen vermieden, die besonders bei niedrigen Temperaturen ausgeprägt ist. Des Weiteren kann stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 ein Partikelfilter 24 angeordnet sein, der Rußpartikel des Abgases filtert und von Zeit zu Zeit thermisch regeneriert wird. Die Reihenfolge und Ausgestaltung der verschiedenen Komponenten der Abgasanlage 12 kann von der hier dargestellten abweichen. Beispielsweise kann der Partikelfilter 24 vor der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 angeordnet sein oder ein Partikelfilter mit integriertem Oxidationskatalysator dem SCR-Katalysator 16 vorgeschaltet sein.Upstream of the SCR catalyst device 16 is an oxidation catalyst 22 in the exhaust duct 14 arranged, which performs a conversion of carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC). The arrangement of the oxidation catalyst 22 before the SCR catalyst 16 is particularly advantageous because, in particular, in the low temperature range, the activity of the SCR catalyst device 16 is significantly improved. Optimal in this context, if by the oxidation of NO, an NO 2 content of about 50% based on the total nitrogen oxides NO x behind the oxidation catalyst 22 is produced. In addition, by the upstream oxidation catalyst 22 a deactivation of the SCR catalyst 16 avoided due to increased HC emissions, which is particularly pronounced at low temperatures. Furthermore, downstream of the SCR catalyst device 16 a particle filter 24 be arranged, the soot particles of the exhaust gas filtered and is thermally regenerated from time to time. The order and design of the various components of the exhaust system 12 may differ from the one shown here. For example, the particulate filter 24 before the SCR catalyst device 16 be arranged or a particulate filter with integrated oxidation catalyst the SCR catalyst 16 be upstream.

Der Abgaskanal 14 beherbergt zudem eine Reihe von Sensoren. So kann im Fall eines Ottomotors an einer motornahen Position eine Lambdasonde 26 angeordnet sein, die in bekannter Weise der Lambdaregelung der Verbrennungskraftmaschine 10 dient. Ferner ist gemäß dem dargestellten Beispiel der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 ein NOx-Sensor 28 nachgeschaltet, welcher den NOx-Gehalt des Abgases stromab der Katalysatoreinrichtung 16 misst. Optional kann ein weiterer NOx-Sensor 28' zwischen den SCR-Katalysatorstufen 16a, 16b und/oder ein weiterer NOx-Sensor 30 stromauf der Reduktionskatalysatoreinrichtung 16 vorgesehen sein. NOx-Sensoren verfügen grundsätzlich über eine Querempfindlichkeit für NH3, das heißt das von dem NOx-Sensor bereitgestellte Signal ist sowohl von dem NOx-Gehalt des Abgases als auch von dem NH3-Gehlat abhängig. Unter Anwendung geeigneter Plausibilitätsprüfungen kann die Höhe des Signals auf NOx oder NH3 zurückgeführt werden. So kann etwa überprüft werden, wie sich das Signal in Antwort auf eine veränderte NH3-Zudosierung (bei konstantem NOx-Gehalt) verhält. Auf diese Weise ist es möglich mittels der NOx-Sensoren 28, 28' und 30 neben der NOx-Konzentration gegebenenfalls auch die NH3-Konzentration des Abgases zu erfassen. Alternativ können statt oder zusätzlich zu den NOx-Sensoren 28, 28' und 30 auch NH3-Sensoren vorgesehen sein.The exhaust duct 14 also houses a number of sensors. Thus, in the case of a gasoline engine at a position close to the engine, a lambda probe 26 be arranged, in a known manner the lambda control of the internal combustion engine 10 serves. Further, according to the illustrated example, the SCR catalyst device 16 a NO x sensor 28 downstream of which the NO x content of the exhaust gas downstream of the catalyst device 16 measures. Optionally another NOx sensor 28 ' between the SCR catalyst stages 16a . 16b and / or another NO x sensor 30 upstream of the reduction catalyst device 16 be provided. In principle, NO x sensors have a cross-sensitivity to NH 3 , that is, the signal provided by the NO x sensor is dependent both on the NO x content of the exhaust gas and on the NH 3 phthalate. Using appropriate plausibility checks, the level of the signal can be returned to NO x or NH 3 . For example, it is possible to check how the signal changes in response to a change NH 3 addition (at constant NO x content) behaves. In this way it is possible by means of NO x sensors 28 . 28 ' and 30 optionally also to detect the NH 3 concentration of the exhaust gas in addition to the NO x concentration. Alternatively, instead of or in addition to the NO x sensors 28 . 28 ' and 30 also be provided NH 3 sensors.

Die Versorgung der Verbrennungskraftmaschine 10 mit Luft erfolgt über einen Ansaugkanal 32; in dem eine stellbare Drosselklappe 34 angeordnet ist.The supply of the internal combustion engine 10 with air via a suction channel 32 ; in which an adjustable throttle 34 is arranged.

Die Signale der Gassensoren 26, 28, 28', 30 sowie eventuell vorhandener weiterer Sensoren, wie etwa Temperatursensoren oder weiteren Lambdasonden, gehen in eine Motorsteuerung 36 ein. Weiterhin werden von der Motorsteuerung 36 verschiedene Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 eingelesen; beispielsweise Motordrehzahl, Kühlmitteltemperatur oder ein Pedalwert des Fahrpedals. Entsprechende Signalleitungen sind vorliegend durch unterbrochene Linien dargestellt. In Abhängigkeit von den eingehenden Parametern steuert die Motorsteuerung 36 den Betrieb des Motors 10, beispielsweise Kraftstoffeinspritzmengen und Einspritzzeitpunkte, die Stellung der Drosselklappe 34 sowie die Reduktionsmittelzudosiereinheit 18 (entsprechende Steuerleitungen sind durch durchgezogene Pfeile dargestellt).The signals of the gas sensors 26 . 28 . 28 ' . 30 and any other existing sensors, such as temperature sensors or other lambda probes, go into a motor control 36 one. Furthermore, by the engine control 36 various operating parameters of the internal combustion engine 10 read; For example, engine speed, coolant temperature or a pedal value of the accelerator pedal. Corresponding signal lines are shown here by broken lines. Depending on the incoming parameters, the engine control unit controls 36 the operation of the engine 10 For example, fuel injection quantities and injection timings, the position of the throttle valve 34 and the reductant metering unit 18 (corresponding control lines are shown by solid arrows).

Die Motorsteuerung 36 weist eine Steuereinheit 38 auf, die den Betrieb der SCR-Katalysatoreinheit 16 in nachfolgend beschriebener Weise steuert. Die Steuereinheit 38 beinhaltet zu diesem Zweck einen Programmalgorithmus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie hierfür notwendige Kennfelder.The engine control 36 has a control unit 38 on which the operation of the SCR catalyst unit 16 controls in the manner described below. The control unit 38 includes for this purpose a program algorithm for carrying out the method according to the invention as well as necessary maps.

Die in 2 dargestellte Anlage unterscheidet sich von der in 1 gezeigten darin, dass die erste SCR-Katalysatorstufe 16a und die nachgeschaltete zweite SCR-Katalysatorstufe 16b aneinander angrenzend, das heißt ohne Abstand zueinander, angeordnet sind. Dies kann einerseits durch zwei getrennte Katalysatorträger realisiert sein. Alternativ kann die SCR-Katalysatoreinrichtung 16 jedoch aus einem einzigen Katalysatorträger bestehen, der in seiner vorderen Zone eine andere Beschichtung trägt als auf der hinteren Zone, wodurch die SCR- Katalysatorstufen 16a und 16b ausgebildet werden. Die weiteren Elemente in 2 sind mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet und werden daher nicht noch einmal im Einzelnen erläutert.In the 2 shown plant is different from the one in 1 shown that the first SCR catalyst stage 16a and the downstream second SCR catalyst stage 16b adjacent to each other, that is, without spacing from each other, are arranged. This can be realized on the one hand by two separate catalyst carriers. Alternatively, the SCR catalyst device 16 however, consist of a single catalyst support bearing a different coating in its front zone than on the back zone, thereby increasing the SCR catalyst stages 16a and 16b be formed. The other elements in 2 are denoted by the same reference numerals as in 1 are therefore not explained in detail again.

Der in der Steuereinheit 38 hinterlegte Programmalgorithmus steuert die SCR-Katalysatoreinrichtung 16 und insbesondere die Reduktionsmittel-Zufuhreinheit 18 in nachfolgend beschriebener Weise.The one in the control unit 38 stored program algorithm controls the SCR catalyst device 16 and in particular, the reducing agent supply unit 18 in the manner described below.

Als Führungsgröße für die in die Abgasanlage einzuspeisende NH3-Menge wird erfindungsgemäß allein die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a zugrunde gelegt. Insbesondere wird die NH3-Menge so dosiert, dass eine in der gesamten SCR-Katalysatoreinrichtung 16 gespeicherte NH3-Menge im Wesentlichen entsprechend der absoluten Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a abzüglich eines vorbestimmten Sicherheitsabstandes eingestellt wird. Dabei wird bevorzugt das NH3-Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a auf einen Wert zwischen einer unteren und einer oberen Beladungsgrenze eingeregelt, wobei beide Grenzen in Abhängigkeit von einer gemessenen oder modellierten Temperatur der SCR-Katalysatorstufe 16a vorgegeben werden.According to the invention, the absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage alone is the reference variable for the amount of NH 3 to be fed into the exhaust system 16a based on. In particular, the amount of NH 3 is metered so that one in the entire SCR catalyst device 16 stored NH 3 amount substantially corresponding to the absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage 16a minus a predetermined safety distance is set. In this case, preference is given to the NH 3 charge level of the first SCR catalyst stage 16a controlled to a value between a lower and an upper load limit, both limits depending on a measured or modeled temperature of the SCR catalyst stage 16a be specified.

Zur Steuerung der Zudosierung von Harnstoff bzw. NH3 wird die aktuell in die erste SCR-Katalysatorstufe 16a gespeicherte NH3-Menge kontinuierlich bilanziert, d.h. das aktuelle NH3-Beladungsniveau. Dies erfolgt grundsätzlich durch Ermittlung der kumulierten, in die SCR-Stufe 16a eingespeicherten NH3-Menge (in g oder mol), Ermittlung der kumulierten, durch NOx-Umsatz verbrauchten NH3-Menge (in g oder mol) und schließlich durch Subtraktion der verbrauchten von der eingespeicherten NH3-Menge gemäß der Gleichung RM_a = RM_ΣS – RM_ΣNOxworin RM_a das aktuelle NH3-Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a bedeutet, RM_ΣS die kumulierte, in die SCR-Stufe 16a eingelagerte NH3-Menge und RM_ΣNOx die durch NOx-Umsatz verbrauchte NH3-Menge.To control the metered addition of urea or NH 3 is currently in the first SCR catalyst stage 16a stored NH 3 amount continuously balanced, ie the current NH 3 -Beladungsniveau. This is basically done by determining the accumulated, in the SCR stage 16a stored NH 3 amount (in g or mol), determination of the cumulative amount of NH 3 consumed by NO x conversion (in g or mol) and finally by subtracting the consumed from the stored NH 3 amount according to the equation RM_a = RM_ΣS - RM_ΣNOx where RM_a is the current NH 3 charge level of the first SCR catalyst stage 16a means RM_ΣS the cumulative, in the SCR stage 16a intercalated amount of NH 3 and NOx conversion by RM_ΣNOx the consumed amount of NH 3.

Zur Bestimmung der kumulierten, eingespeicherten NH3-Menge RM_ΣS wird die durch die Zufuhreinheit 18 erfolgte NH3-Einspeisung durch Integration über die Zeit ermittelt und eine quantitative Speicherung im SCR-Katalysator 16 angenommen. Noch genauer kann die gespeicherte NH3-Masse ermittelt werden, indem zusätzlich der temperaturabhängige Einspeicherwirkungsgrad in den NH3-Speicher der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a, d.h. die Bilanz der zudosierten zur nicht eingelagerten NH3-Menge, berücksichtigt wird, wobei auch Alterungseffekte der SCR-Katalysatorstufe 16a mit Hilfe von Korrekturgrößen berücksichtigt werden können. Bei Auftreten einer Desorption von NH3 aus der ersten Stufe 16a (NH3-Schlupf), die etwa mit dem Sensor 28' erfasst werden kann, wird die Beladungsmenge der ersten Stufe entsprechend korrigiert.To determine the accumulated, stored NH 3 amount RM_ΣS is the through the feed unit 18 NH 3 feed was determined by integration over time and a quantitative storage in the SCR catalyst 16 accepted. More specifically, the stored NH 3 mass can be determined by additionally the temperature-dependent Einspeicherwirkungsgrad in the NH 3 storage of the first SCR catalyst stage 16a , ie the balance of the metered to non-stored NH 3 amount, is taken into account, with aging effects of the SCR catalyst stage 16a can be taken into account with the aid of correction variables. When desorption of NH 3 from the first stage occurs 16a (NH 3 -slip), roughly with the sensor 28 ' can be detected, the loading amount of the first stage is corrected accordingly.

Ferner wird der Verbrauch der gespeicherten NH3-Masse RM_ΣNOx über den NOx-Umsatz in der gesamten SCR-Katalysatoreinrichtung 16 bestimmt. Die Bilanzierung des NOx-Umsatzes in der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 erfolgt durch Vergleich des NOx-Gehaltes stromauf und stromab der Katalysatoreinrichtung 16, welche jeweils mit den NOx-Sensoren 28, 30 gemessen oder unter Verwendung geeigneter Rechenmodelle modelliert werden können. Beispielsweise kann der NOx-Gehaltes stromauf der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a als NOx-Rohemission in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 aus abgespeicherten Kennfeldern ermittelt oder durch direkte Messung mit dem NOx-Sensor 30 erfasst werden und der NOx-Gehalt stromab der zweiten SCR-Katalysatorstufe 16b mit dem NOx-Sensor 28 gemessen werden. Alternativ kann der Verbrauch der gespeicherten NH3-Masse über den NOx-Umsatz nur der ersten SCR-Stufe 16a ermittelt werden, wofür insbesondere der NH3-empflindliche Sensor 28' zwischen den Stufen 16a und 16b sinnvoll ist. Eine Verbesserung der Genauigkeit der Umsatzbilanzierung wird erzielt, wenn mögliche NOx-Adsorptions- und NOx-Desorptionsvorgänge im SCR-Katalysator 16 bzw. der ersten SCR-Stufe 16a berücksichtigt werden. Das Beladungsniveau ergibt sich schließlich aus der Differenz der kumulierten, in die SCR-Stufe 16a eingespeicherten NH3-Menge RM_ΣS und der so ermittelten kumulierten, durch NOx-Umsatz verbrauchen NH3-Masse RM_ΣNOx nach vorstehender Gleichung. Das so ermittelte aktuelle NH3-Beladungsniveau RM_a der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 wird in der Steuereinheit 38 auch nach Abstellen der Verbrennungskraftmaschine 10 gespeichert und dient als Eingangsgröße für die Bilanzierung beim nächsten Motorstart.Furthermore, the consumption of the stored NH 3 mass RM_ΣNOx via the NO x conversion in the entire SCR catalyst device 16 certainly. The accounting of the NO x conversion in the SCR Ka talysatoreinrichtung 16 takes place by comparing the NO x content upstream and downstream of the catalyst device 16 , each with the NO x sensors 28 . 30 measured or modeled using appropriate computational models. For example, the NO x content may be upstream of the first SCR catalyst stage 16a as NO x raw emission as a function of a current operating point of the internal combustion engine 10 determined from stored maps or by direct measurement with the NO x sensor 30 and the NO x content downstream of the second SCR catalyst stage 16b with the NO x sensor 28 be measured. Alternatively, the consumption of the stored NH 3 mass via the NO x conversion of only the first SCR stage 16a for which, in particular, the NH 3 -sensitive sensor 28 ' between the steps 16a and 16b makes sense. An improvement in the accuracy of the sales accounting is achieved when possible NO x adsorption and NO x desorption processes in the SCR catalyst 16 or the first SCR stage 16a be taken into account. Finally, the loading level is the difference between the cumulative and SCR levels 16a stored NH 3 -Menge RM_ΣS and the thus determined cumulative, by NO x conversion consume NH 3 -Mass RM_ΣNOx according to the above equation. The thus determined current NH 3 -Beladungsniveau RM_a the SCR catalyst device 16 is in the control unit 38 even after switching off the internal combustion engine 10 stored and serves as an input for the balancing at the next engine start.

Sofern die NOx-Sensoren 28, 28' und 30 noch nicht ihre Arbeitstemperatur und damit Systembereitschaft erreicht haben, was insbesondere nach einem Motorkaltstart bei Anforderung von motorischen Heizmaßnahmen der Fall ist, erfolgt die Ermittlung des Beladungsniveaus der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 bis zum Erreichen der Systembereitschaft der NOx-Sensoren 28, 30 durch Modellierung, wobei eine temperaturabhängige Umsatzkennlinie verwendet wird.Unless the NO x sensors 28 . 28 ' and 30 not yet reached their operating temperature and thus system readiness, which is the case in particular after a cold engine start when requesting motorized heating measures, the determination of the loading level of the SCR catalytic converter device takes place 16 until the system readiness of the NO x sensors is reached 28 . 30 by modeling using a temperature-dependent turnover characteristic.

Kommt es zu einem NH3-Schlupf der ersten Stufe 16a, so wird die desorbierte NH3-Menge insbesondere durch die hohe NH3-Speicherfähigkeit der zweiten Stufe 16b praktisch vollständig von dieser gespeichert und durch die Stickoxide des Abgases umgesetzt. Somit kann eine Emission von unkonvertiertem Ammoniak praktisch vollständig verhindert werden.Does it come to a NH 3 -slip the first stage 16a Thus, the amount of NH 3 desorbed becomes particularly due to the high second stage NH 3 storage capacity 16b practically completely stored by this and implemented by the nitrogen oxides of the exhaust gas. Thus, emission of unconverted ammonia can be almost completely prevented.

Eine Verbesserung des Verfahrens kann dadurch bewirkt werden, dass bei Detektion eines Austritts von NH3 aus der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a mittels des zwischengeschalteten NH3-empfindlichen Gassensors 28' die NN3-Zuführung durch die Zufuhreinrichtung 18 reduziert oder deaktiviert wird. In diesem Fall kann zusätzlich vorgesehen sein, das Dosierungsmodell für die Reduktionsmittelzuführung anzupassen, um zukünftige NH3-Durchbrüche zu vermeiden. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die NH3-Speicherkapazität aufgrund Alterungseffekte reduziert wird, was eine entsprechende Absenkung der Beladungsgrenzen erforderlich macht.An improvement of the method can be achieved by detecting an exit of NH 3 from the first SCR catalyst stage 16a by means of the interposed NH 3 -sensitive gas sensor 28 ' the NN 3 supply by the feeder 18 is reduced or deactivated. In this case, it may additionally be provided to adapt the metering model for the reducing agent feed in order to avoid future NH 3 breakthroughs. This may be necessary, for example, if the NH 3 storage capacity is reduced due to aging effects, which requires a corresponding reduction in the loading limits.

1010
VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
1212
Abgasanlageexhaust system
1414
Abgaskanalexhaust duct
1616
SCR-KatalysatoreinrichtungSCR catalytic converter device
16a16a
erste SCR-Katalysatorstufefirst SCR catalyst stage
16b16b
zweite SCR-Katalysatorstufesecond SCR catalyst stage
1818
Zufuhreinheitsupply unit
2020
VerdampferEvaporator
2222
Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
2424
Partikelfilterparticulate Filter
2626
Lambdasondelambda probe
2828
NOx-SensorNO x sensor
28'28 '
NOx-SensorNO x sensor
3030
NOx-SensorNO x sensor
3232
Ansaugkanalintake port
3434
Drosselklappethrottle
3636
Motorsteuerungmotor control
3838
Steuereinheitcontrol unit

Claims (13)

Verfahren zum Betreiben einer in einer Abgasanlage (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten SCR-Katalysatoreinrichtung (16), welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinandergeschaltete SCR-Katalysatorstufen (16a, 16b) umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NOx des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Bemessungsgröße für eine Menge des zugeführten Reduktionsmittels oder seiner Vorstufe eine Speicherkapazität der in Strömungsrichtung ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) herangezogen wird.Method for operating an exhaust system ( 12 ) an internal combustion engine ( 10 ) arranged SCR catalyst device ( 16 ) which comprises at least two SCR catalyst stages (spaced apart or adjoining one behind the other) ( 16a . 16b ), each of which is adapted to at least partially store a chemical reducing agent and to reduce, with its participation, nitrogen oxides NO x of the exhaust gas, the chemical reducing agent or a precursor thereof into an exhaust gas of the internal combustion engine ( 10 ) upstream of the SCR catalyst device ( 16 ) is supplied, characterized in that as a design variable for an amount of the supplied reducing agent or its precursor, a storage capacity of the flow direction in the first SCR catalyst stage ( 16a ) is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelzufuhr so gesteuert wird, dass ein Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) zwischen einer vorbestimmten unteren Beladungsgrenze und einer vorbestimmten oberen Beladungsgrenze liegt, wobei die obere Beladungsgrenze der absoluten Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) abzüglich eines Sicherheitsabstandes entspricht.A method according to claim 1, characterized in that the reducing agent supply is controlled so that a loading level of the first SCR catalyst stage ( 16a ) between a predetermined lower loading limit and a predetermined upper loading limit, wherein the upper loading limit of the absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage ( 16a ) minus a safety margin. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktuelles Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) und/oder die untere Beladungsgrenze und/oder die obere Beladungsgrenze, eine Beladungsgrenze der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) mit dem Reduktionsmittel und/oder der Sicherheitsabstand in Abhängigkeit von einer Katalysator- oder Abgastemperatur vorbestimmt wird.A method according to claim 2, characterized in that a current loading level of the first SCR catalyst stage ( 16a ) and / or the lower loading limit and / or the upper loading limit, a loading limit of the first SCR catalyst stage ( 16a ) with the reducing agent and / or the safety margin as a function of a catalyst or exhaust gas temperature is predetermined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktuelles Beladungsniveau der SCR-Katalysatoreinrichtung (16), insbesondere der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a), mit dem Reduktionsmittel kontinuierlich ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a current loading level of the SCR catalyst device ( 16 ), in particular the first SCR catalyst stage ( 16a ), is determined continuously with the reducing agent. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aktuelle Beladungsniveau der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) mit dem Reduktionsmittel als Differenz einer kumulierten gespeicherten Reduktionsmittelmenge und eines durch NOx-Umsatz über die gesamte SCR-Katalysatoreinrichtung (16) verbrauchte Reduktionsmittelmenge bestimmt wird.A method according to claim 4, characterized in that the current loading level of the SCR catalyst device ( 16 ) with the reducing agent as the difference of a cumulative stored reducing agent quantity and an NO x conversion over the entire SCR catalytic converter device ( 16 ) amount of reducing agent is determined. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilanzierung des NOx-Umsatzes der ersten und der zweiten SCR-Katalysatorstufe (16a, 16b) gemeinsam erfolgt, wobei ein NOx-Gehalt des Abgases stromauf und/oder stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) modelliert und/oder gemessen wird.Method according to claim 5, characterized in that the balancing of the NO x conversion of the first and the second SCR catalyst stage ( 16a . 16b ), wherein a NO x content of the exhaust gas upstream and / or downstream of the SCR catalyst device ( 16 ) is modeled and / or measured. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austritt des Reduktionsmittels aus der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) mittels eines zwischen den SCR-Katalysatorstufen (16a, 16b) angeordneten NH3-empfindlichen Gassensors, insbesondere eines NH3-Sensors oder eines NOx-Sensors, erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an exit of the reducing agent from the first SCR catalyst stage ( 16a ) by means of one between the SCR catalyst stages ( 16a . 16b ) arranged NH 3 -sensitive gas sensor, in particular an NH 3 sensor or a NO x sensor, is detected. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung eines Austritts des Reduktionsmittels aus der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) die Zuführung des Reduktionsmittels reduziert oder deaktiviert wird.A method according to claim 7, characterized in that upon detection of an exit of the reducing agent from the first SCR catalyst stage ( 16a ) the supply of the reducing agent is reduced or deactivated. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung eines Austritts des Reduktionsmittels aus der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) ein Dosierungsmodell für die Reduktionsmittelzuführung angepasst wird.A method according to claim 7 or 8, characterized in that upon detection of an exit of the reducing agent from the first SCR catalyst stage ( 16a ) a dosage model for the reducing agent supply is adjusted. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Reduktionsmittel Ammoniak NH3 ist, das aus dem Abgas zugegebenen Harnstoff als Vorstufe erzeugt wird oder dem Abgas direkt zugegeben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the chemical reducing agent is ammonia NH 3 , the urea added from the exhaust gas is generated as a precursor or is added directly to the exhaust gas. Abgasanlage (12) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) mit einer SCR-Katalysatoreinrichtung (16), welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinandergeschaltete SCR-Katalysatorstufen (16a, 16b) umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NOx des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) zugeführt wird, gekennzeichnet durch einen Programmalgorithmus, insbesondere gespeichert in einer Motorsteuerung (36), zum Betreiben der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) der Abgasanlage (12) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Exhaust system ( 12 ) for an internal combustion engine ( 10 ) with an SCR catalyst device ( 16 ) which comprises at least two SCR catalyst stages (spaced apart or adjoining one behind the other) ( 16a . 16b ) Which are each adapted to at least partially store a chemical reducing agent and reduce its involvement under nitrogen oxides NO x of the exhaust gas, wherein the chemical reducing agent or a precursor thereof in an exhaust gas of the internal combustion engine ( 10 ) upstream of the SCR catalyst device ( 16 ), characterized by a program algorithm, in particular stored in a motor control ( 36 ) for operating the SCR catalyst device ( 16 ) of the exhaust system ( 12 ) according to the method of any one of claims 1 to 10. Abgasanlage (12) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe (16b) größer ist als die der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a).Exhaust system ( 12 ) according to claim 11, characterized in that a relative storage capacity of the second SCR catalyst stage ( 16b ) is greater than that of the first SCR catalyst stage ( 16a ). Abgasanlage (12) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer der Positionen stromauf der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a), stromab der letzten SCR-Katalysatorstufe (16b) und zwischen der ersten und der letzten SCR-Katalysatorstufe ein NOx und/oder ein NH3-empfindlicher Gassensor (28, 30) angeordnet ist.Exhaust system ( 12 ) according to one of claims 11 or 12, characterized in that at least one of the positions upstream of the first SCR catalyst stage ( 16a ), downstream of the last SCR catalyst stage ( 16b ) and between the first and the last SCR catalyst stage a NO x and / or a NH 3 -sensitive gas sensor ( 28 . 30 ) is arranged.
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